C-S-H(水化硅酸钙)是承担水泥基材料耐久性的主要组分,水和离子在材料孔道内的非饱和传输是造成耐久性劣化的主要原因,深入研究水和离子在CS-H凝胶中的传输性能对于分析水泥基材料和混凝土结构的物理化学行为具有十分重要的意义。虽然水分子和离子传输的宏观实验研究是十分重要的,但仅通过实验手段很难揭示其传输特性的机理。本文多方借鉴前人经验,构建出C-S-H凝胶纳米通道传输模型,基于分子动力学模拟,对水和盐溶液通过非饱和凝胶孔的传输特性和分子尺度上的结构特征以及动力学特征进行研究,并适当结合统计热力学、物理化学和流体力学等基本理论,揭示各现象背后的机理,取得了以下研究成果:(1)C-S-H凝胶孔中水的分布主要与饱和度和壁面位置有关,壁面具有亲水性;凝胶孔饱和度约达53%时形成的连通两侧的通道会触发逾渗效应,从而使水的扩散能力得到较大提升;处于层间区、吸附区和自由区的水分子,会因几何约束和键结作用的差异使自身扩散系数呈现出自由区>吸附区>层间区的规律;吸水初期,凝胶孔吸附区有相对较高的传输速率,而后吸附区便表现出明显的速度分层,速度沿壁面垂直向外的方向递增,而吸水过程中,水分子会优先填满整个通道,而后进入近壁层间;受逾渗效应影响,随凝胶孔中水的饱和度的增大,水的整体扩散系数呈现出先上升后下降的变化规律,而更高的温度会放大该效应对传输的促进作用;凝胶孔孔径与水的扩散能力正相关,更高的初始饱和度和曲折度均会抑制凝胶孔的吸水速度。(2)离子在凝胶孔中的传输体系中,双电层效应存在并可以很好的解释离子在凝胶通道中的传输;钠离子更容易稳定在第一电层,而氯离子难以在壁面吸附区长期停留,吸附区的氯离子会表现出较为频繁的吸附和脱附行为;由于库伦势的相斥加之基于第一电层形成的第二电层稳定性较差,氯离子比钠离子的整体扩散系数更高;钙硅比会显著影响C-S-H表面对氯离子的吸附能力;由于凝胶孔中离子的传输需要依附于水分子,离子的传输速度明显滞后于水,随饱和度的提升,逾渗效应会显著促进离子的扩散能力,但对应的是离子扩散系数的极值而非最值。(3)在非饱和态凝胶孔中,饱和度是影响离子扩散能力的首要因素,而饱和态凝胶孔中,当离子浓度达到稳定后,由于浓度差的逐渐削弱,C-S-H壁面的极性开始成为影响离子传输的主要因素;两类曲折度模型均表明较高的曲折度会明显阻碍离子在凝胶通道中的传输,纯扩散下(第二类模型)离子达成目标浓度的速度略高于对流-扩散状态(第一类模型);氯化钙的交互作用会提升氯化钠溶液中离子的扩散能力,而氯化钾则相反。该论文图片总计86幅,表1个,参考文献127篇。